Gen
Gen
Kalıtım birimi. Öbür kalıtım birimleriyle birlikte, anne-babadan döle geçen genler, tek başına ya da başka genlerle birlikte işlev görüp, oluşan yeni organizmanın bir ya da daha çok özelliğini belirler. Bir organizmanın kalıtımsal yapısını oluşturan genlerin toplamına genom adı verilir (Bk. GENOM).
Genler, kromozom adı verilen genetik malzeme zincirleri içinde bulunurlar (Bk. GENETİK). Hücrelerin büyük bir bölümünde, her gen, özel bir kromozomun içinde belli bir yerde bulunur. Bununla birlikte, kromozomlar kopabilir ve üstlerindeki genlerden bazıları, ya aynı kromozomun ya da başka kromozomların üstünde başka yerlere aktarılabilirler. Böyle bir aktarım durumunda, yeni gen birleşmeleri ortaya çıkar. Genler, kimyasal yapıları bakımından da değişikliğe uğrayabilirler. Değişmiş, yeniden birleşmiş ya da kimyasal değişiklik geçirmiş biçimleriyle bu genler, değişmemiş genlerden farklı etkilere yol açarlar (Bk. DEĞŞİNİM). Çevre de, gen tarafından iletilen özelliğe bağlı olarak, genin potansiyel etkisinin gerçekleşme derecesinin belirlenmesinde önemli rol oynayabilir.
GENİN DOĞASI
Genetiğin, genlerin yapı ve işlevlerini moleküller düzeyinde inceleyen altbölümüne "molekül genetiği" adı verilir. Gen teriminin, ilk olarak 1909'da DanimarkalI genetikçi Wilhelm Johannsen tarafından önerilmesinden bu yana, genin doğasına ilişkin anlayışlarda, büyük değişiklikler olmuştur. Genin molekül düzeyinde yapı ve işlevine ilişkin günümüzdeki anlayış, 1944'te KanadalI bakteribilim uzmanı Oswald T. Avery ile ABD'Ii bilim adamı Collin M. MacLeod ve Maclyn McCarty'nin çalışmalarına dayanır. Bu bilim adamları, bakteri genlerinin "dezoksiribonükleik asit" (DNA) adı verilen kimyasal bileşikten oluştuğunu göstermişler, daha sonra bunun, öbür organizmaların çoğunluğu için de doğru olduğu belirlenmiştir.
1953'te, ABD'Ii biyokimyacı James D. Watson ile İngiliz bilim adamı Francis Crick'in, ortaklaşa hazırladıkları DNA molekülünün yapı modelini sunmalarıyla, bir ilerleme daha gerçekleştirildi. Sundukları molekül modelinde, DNA'nın "polinükleotit" adı verilen iki kimyasal bileşik zincirinden bileştiği, bu iki zincirin birbirine iki merdivene benzer çifte sarmal biçiminde sarılmış olduğu görülüyordu. Daha sonra, 1961'de, ABD'Ii biyokimyacı M. W. Nirenberg, vb. araştırmacılar, DNA'nın bileşimi ile genler tarafından üretilen proteinlerin bileşimi arasındaki ilişkiyi çözdüler ve genetik şifre (Bk. GENETİK ŞİFRE) diye adlandırdılar. Daha sonra, "ribonükleik asit" (RNA) adı verilen bir başka asitin de, protein bireşimi yapma işlevini gördüğü ortaya kondu.
Başlangıçta, genlerin, bir organizmanın çeşitli özelliklerini oluşturmak için aynı işlevi gördükleri düşünülüyordu. Oysa, günümüzde, birbirinden farklı üç gen sınıfı ayırt edilmiştir. Birinci gen sınıfı, yapısal genlerden oluşur; yapısal genlerin genetik şifreleri, birçok hormon dahil, "polipeptit" diye adlandırılan proteinleri ya da daha küçük molekülleri oluşturmaya yönelen animoasitlerin dizi düzenini belirler (Bk. PEPTİT). İkinci gen sınıfı, protein bireşimiyle (Bk. PROTEİN BİREŞİMİ)oluşan fiziksel ve kimyasal süreçlerde işlev gören molekülleri belirleyen genetik şifreler taşır. Üçüncü gen sınıfıysa, şifreleyici olmayan düzenleyici genlerden oluşur. Bunlar yalnızca, protein bireşimini denetlemek işlevini gören enzimleri ve öbür proteinleri "tanıma yerleri" olarak iş görürler (Bk. OPERON).
İlk çalışmalar, bir genin, kromozomun içinde yerleştiği yer neresi olursa olsun, kesintisiz tek bir birimden oluştuğu kanısını uyandırıyordu. Daha sonra, genlerde şifreleyici bölütten önce, önder (ya da öncü) adı verilen bir bölge, şifreleyici kesimden sonra da "artçı" adı verilen bir bölge bulunduğu belirlendi. Bunun yanı sıra, şifreleyici kesimin kendisi de, edimsel olarak, şifreleyici bölümler arasına giren ve "ekson" diye adlandırılan kesimler ile şifreleyici olmayan ve "intron" adı verilen dizilimlere ayrılabilir.
1973'te ABD'Ii genetikçi Stanley Kohen ve Herbert Boyer'ın, bir DNA molekülünü belirli özel yerlerinden kesmek için, "kısıtlama endonükleazları" adı verilen bazı enzimlerin kullanılabileceğini göstermeleriyle,gen incelemelerinde büyük bir ilerleme gerçekleştirildi. Söz konusu enzimler, özdeş serbest uçları ve bunlara uygun bütünleyici biçimleri bulunan başka serbest uçlarla birleşebilecek bir dizi bölütün elde edilmesine olanak veriyordu. Bu yolla, bütünüyle işlevsel olan DNA çifte sarmalı yeniden oluşturuldu. "Gene bağlama" ya da "gen dikişi" adı verilen bu yöntemden yararlanılarak (Bk. GENETİK MÜHENDİSLİĞİ), insan hücresinden alınan bir genin, insandaki gibi işlev göreceği bakteriye, fareye, keneye ya da domuza aktarılması olanağı elde edildi. Hattâ, hayvan genlerinin bitkilere aktarılması olanağı bile doğdu. Bu yöntemin düşünülen kullanım yerlerinden biri de, kanama hastalığı kistli fibroz, vb. genetik hastalıklardan etkilenen insanlara, o işleve uygun normal insan genlerinin iletilmesidir. (Bk. GENETİK HASTALIKLAR). Bu tür aktarımlarda başarılı olunursa, bu genler, genetik hastalıkların doğrudan gen tedavisiyle iyileştirilmesini sağlayacak aracı oluşturacaklardır.
Genlerin edimsel işlevleri karmaşıktır. Bunu anlamak için, DNA ve RNA nükleik asitlerinin doğasını ve yapısını daha ayrıntılı biçimde incelemek gerekir.
DNA
DNA, birçok virüste ve hücresel organizmalarda genetik gereç olarak ortaya çıkar. Bununla birlikte bazı virüslerde DNA bulunmaz. Onun yerine, genetik gereç RNA biçimindedir.
Özgül DNA'yı içeren organizmaya bağlı olarak DNA, bakteriler, mavi suyosunları ve DNA virüslerinde olduğu gibi ya tek bir kromozomun üstünde bütün öbür canlılarda olduğu gibi, birkaç kromozomun üstünde bulunur. Kromozomlarda bulunmasının yanı sıra, bakterilerde bulunan plazmitler, bitkilerde bulunan kloroplastlar ve hem bitkilerde, hem hayvanlarda bulunan mitokordriyumlar gibi birçok hücre organizmasında da bulunur.
Yapısı. Bütün DNA molekülleri, "nükleotit' adı verilen, birbirine bağlı bir birimler dizisinden oluşur. Her DNA nükleotiti üç alt birimden oluşur: "Dezoksiriboz" adı verilen 5 karbonlu bir şeker; bu şeker molekülünün bir ucuna bağlı bir fosfat grubu; şeker molekülünün öbür ucuna bağlı, azot içeren farklı birkaç bazdan biri. DNA'da çoğulluğu oluşturan dört baz, "adenin" ile "guanin" (iki halkalı pürin bileşikleri) ve "timin" ile "sitosin" (tek halkalı pirimidin bileşikleri) diye adlandırılırlar. İlgili baza bağlı olarak dört ayrı DNA nükleotit tipi oluşturulabilir.
Her nükleotit fosfat grubu, komşu nükleotitteki şeker molekülünün karbon atomlarından birine bağlanır. Böylece, "polinükleotit zinciri" adı verilen zincir oluşur. Organizmaların çoğunun DNA'sı, bir çifte sarmal oluşturacak biçimde sarılmış iki polinükleotit zincirinden oluşmuştur. Her zincirin iskeletini (ya dış kenarın) şeker - fosfat daimi oluşturur. Bazlar bu omurgadan, iç yana, sarmala doğru uzanırlar, bir zincirin bazlara, bağları aracılığıyla, öbür zincirdeki bazlara çekilirler: Çifte sarmalı bir arada tutan budur. Bu yapısal düzenlemenin istisnalarına, genetik gereçleri tek bir DNA zincirinden oluşan bazı virüslerde rastlanır.
Bir DNA çifte sarmalında, iki zincirin bazları arasındaki çift oluşturma biçimi, son derece özeldir. Sözgelimi, adenin her zaman timine İki hidrojen bağıyla, guanin de sitozine her zaman hidrojen bağıyla bağlıdır. Bu sıra düzeni çapı birbiçimli bir moleküle sonuçlanır. DNA nükleotitlerinin belirli baz çiftleriyle çiftler oluşturduktan bu özel biçim nedeniyle, sarmaldaki iki zincirin baz sırasının "tümleyici" (kompiemanter) olduğu söylenir. Bu, adenini timinle ya da timini adeninle ve guanidini sitozinle ya da sitozini guanidinle değiştirmekle, her zincirin baz dizilim sırasının ortağınınkine dönüştürülebileceği anlamına gelir.
işlevleri. Genetik gereç DNA'sının kendine özgü iki işlevi vardır:Protein bireşimini, bunun sonucu olarak da organizmanın büyümesini ve gelişmesini sağlar; aynı zamanda da kendisini kopyalayarak ve bir kopyayı her yavruya (ya da döle) geçirerek, protein bireşimi yapma bilgisini bütün gelecek kuşaklara aktarır. "Genetik şifre" (ya da genetik kod) diye adlandırılan bu bilgi, bir proteindeki aminoasitler dizilimini belirleyen DNA bazlarının sıralanışında yatar. DNA, protein bireşimi sürecinde doğrudan doğruya iş görmez. Onun yerine, kopyasını oluşturma süreci sırasında, işlevini "mRNA" adı verilen kendine özgü bir RNA çeşidinin oluşması aracılığıyla görür.
DNA'nın kopyalanması, yukarda sözü edilen tümleyicilik ilkesine dayanır. Kopyalanma süreci sırasında DNA çifte sarmalının iki zinciri birbirinden ayrılır. Bu ayrılma olurken, her zincirdeki her baz, nükleotit içeren, hidrojen bağlarıyla ona bağlı duruma gelen kendini tümleyici bazı kendine çeker. Sözgelimi, adenin bazı, timin bazını kendine çeker ve bağlanır. Tümleyici nükleotitler yerlerine yerleşirken, "DNA polimeraz" adı verilen enzim işlev görür: Bir nükleotitin fosfatını komşu nükleotitin şeker molekülüne bağlayarak, yeni bir polinükleotit zinciri oluşturur. Yeni DNA zinciri, eski zincire hidrojen bağıyla bağlanmış olarak kalır ve eskisiyle birlikte yeni bir çifte sarmal molekülü oluştururlar. Bu kopyalanma çeşidine "yarıtutucu kopyalanma" adı verilir; çünkü yeni oluşan her çifte sarmallı molekülde, birtane eskiden var olan zincir bulunur.
Tek zincirli DNA içeren virüsler, biraz daha karmaşık olan bir süreçle kopyalanırlar. Bir virüs, bir hücreye girince, kendisinin tümleyici bir kopyasını oluşturur ve ona bağlı kalır. Bu durumdaki bir virüsün "kopyalanmış biçiminde" bulunduğu söylenir: Geçici olarak iki zincirli bir DNA virüsü haline gelmiştir. Kopyalanma sırasında iki zincir birbirinden ayrılır; ama yalnızca son olarak oluşan zincir, tümleyici nükleotitleri kendine çeker. Bu yeni çekilen nükleotitler, DNA polimeraz enzimi tarafından birbirine bağlanır; bazlardaki diziliş tıpkı özgün DNA virüsününki gibi olur. Yeni oluşan polinükleotit zinciri, özgün virüsün kopyalanmış biçiminden ayrılır ve tek başına işlev görür.
Değşinimler. DNA molekülünün yapısını birçok çevresel etken değişikliğe uğratabilir. Bazı etkenler fiziksel, bazılarıysa kimyasaldır. Bu tür değişiklikler, bir DNA molekülünün baz diziliminde sürekli bir değişmeye yol açtıklarında, bir değşinim (mütasyon) ortaya çıkar. Buna karşılık, değşinimler de, protein bireşimine katılan bir değişiklikle sonuçlanırlar. Değşinimlerin çoğu, etkileri bakımından zararlı olmaya yatkındırlar ve çevresel etkenlerin DNA'ya verdikleri yıkımı karşılamak için devreye giren bazı kendi kendini onarma düzenekleri vardır. Değşinim ve kendi kendini onarma süreçleri, örnek olarak, morötesi ışınımın etkisinde kalmanın DNA'da yol açtığı yıkım olgusunda incelenmiştir. Morötesi ısınımın etkisinde kalma sırasında DNA'nın soğurmuş olduğu enerji, aynı polinükleotit zincirlerinin komşu bazları arasında kimyasal bağların oluşmasıyla sonuçlanır. Bu durum, kopyalanma sırasında baz çifti oluşturma olgusunun karşısına çıkar ve değşinimlere yol açar.
RNA
Protein bireşiminin oluşması için, bütün organizmaların ribonükleik asite (RNA) gereksinmeleri vardır. RNA, bunun yanı sıra, RNA virüsleri diye adlandırılan bazı virüslerin genetik gerecidir (Bk. VİRÜS).
DNA molekülleri gibi, bütün RNA moleküllerinde de, nükleotitlerden oluşan benzer bir kimyasal düzen vardır. Her RNA nükleotiti, DNA'da olduğu gibi, üç altbirimden oluşur. Bunlardan birincisi "riboz" adı verilen 5 karbonlu bir şeker, İkincisi bir ucu şeker molekülüne bağlı bir fosfat grubu, üçüncüsü de şeker molekülünün öbür ucuna bağlı farklı birkaç azot içeren bazlardan biridir. RNA'da dört baz çoğunluğu oluşturur: Adenin ve guanin (dört halkalı pürin bileşikleri) ile urasil ve sitozin (tek halkalı pirimidin bileşikleri).
Yapıları
RNA, kimyasal düzenlenişi bakımından DNA'dan iki bakımdan farklılık gösterir. Birincisi, RNA'daki şeker, halkadaki ikinci karbon molekülüne bağlı bir hidroksil (OH) grubu bulunduğunu gösteren ri-bozdur. (DNA'da halkadaki ikinci karbonda yalnızca bir hidrojen [H] atomu vardır; bu yüzden DNA'daki dezoksiriboz şekerine, "oksijeni eksik" anlamına gelen dezoksi öntakısı verilmiştir.) İkincisi, urasil bazı yalnızca RNA'da bulunur. Urasilin karşılığı olan timin bazı da, yalnızca DNA'da bulunur. Her iki baz da tek halkalı pirimidinlerdir ve bu bazların nükleotitleri, zincirin RNA ya da DNA olmasına bağlı olarak birbirinin yerine geçebilir.
RNA'nın nükleotitleri bir nükleotit zinciri içinde, her nükleotitin fosfatının, komşu nükleotitin şeker altbiriminin karbon atomuna bağlanması yoluyla birleşirler. RNA virüslerinde, RNA ya çift ya da tek polinükleotit zinciri biçimindedir. Çift zincirli RNA virüslerinde, iki polinükleotit zincirinin geometrik düzeni, çifte zincirli-ninkinin benzeridir ve iki RNA zincirinin bazları arasındaki çift oluşturma biçimi son derece özeldir. Adenin her zaman urasile iki hidrojen bağıyla, guaninse sitozi-ne her zaman üç hidrojen bağıyla bağlıdır. Gene, DNA'da olduğu gibi, ilgili baza göre RNA nükleotitlerinin kendine özgü çift oluşturma biçimi, iki RNA zincirinin baz diziliminin tümleyici olduğunu gösterir. Dolayısıyla, bir zincirin baz dizilimi bilinirse, öbür zincirin baz dizilimi de belirlenebilir.
İşlevleri
Çifte zincirli RNA'nın kopyalanması, DNA için tanımlanmış kalıbı izler. RNA zincirleri birbirinden ayrılır ve her baz, hidrojen bağlarıyla bağlı bulunduğu tümleyici bazı taşıyan bir RNA nükleotitini kendisine çeker. Tümleyici nükleotitler yerlerine yerleşirlerken, "RNA replikaz" adı verilen bir enzim, nükleotitleri birbirine bağlayarak, yeni bir polinükleotit zinciri oluşturur. Yeni RNA zinciri, eski zincire hidrojen bağlarıyla bağlı durumda kalır (bu, yarıtutucu kopyalanmaya bir başka örnektir).
Tek zincirli RNA virüsleri iki sınıftandır. Birinci grup, insanların ve öbür primatların sinir hücrelerini kendisine çeken çocuk felci virüsünü içerir. Bu tip bir virüs bir hücreye girince, kendisinin tümleyici bir kopyasını oluşturur ve buna bağlı durumda kalır. Bu aşamada virüsün gene RF biçiminde bulunduğu, geçici olarak bir çift zincirli RNA virüsü olduğu söylenir. Kopyalanma sırasında, iki zincir birbirlerinden ayrılmakla birlikte, ancak son oluşan zincir tümleyici bazlı nükleotitleri kendisine çeker. Yeni çekilen nükleotitler birbirlerine RNA replikaz enzimiyle bağlanırlar. Baz dizilimleri bakımından bunlar, özgün RNA virüsünün tıpkısıdırlar. Yeni oluşan zincir, özgün virüsün RF'sinden serbest kalıp, bağımsız olarak işlev görmeye koyulur.
Tek zincirli ikinci grup RNA virüsleri, fare lösemisi virüsü ve fare meme uru virüsü gibi, hayvanlarda ur yapan bazı virüsleri içerirler. Bu tür bir virüs, bir hücreye girince kendisinin tümleyici kopyasını oluşturur. Böyle olmakla birlikte, bu yeni oluşan zincir, DNA nükleotitlerinden bileşmiştir. Buna karşılık, tek zincirli DNA, bir DNA çifte sarmalı oluşturarak kendisinin tümleyici DNA zincirini oluşturur. Yeni oluşan DNA çifte sarmalı konak hücrenin kromozomlarından biriyle birleşir; burada konak DNA'sıyla birlikte kopyalanır. Konak hücrenin içinde bulunduğu sırada, RNA kaynaklı virüs DNA, tek zincirli RNA virüsleri üretir; bu virüsler konak hücreden ayrılarak başka hücrelerin içine girerler. RNA'nın bir DNA tümleyicisinin yapılmasında yer alan enzime RNA yönlendirilmiş DNA polimeraz" ya da "ters şifreleyici" (bu ad, şifreleme sürecini tersine çevirme etkisinden kaynaklanır) denir. "Retrovirüsler" adı verilen bu tür virüslerden insanda bağışıklık yetmeziliğine yol açan HİV adlı olanı, bir insanın bağışıklık sistemindeki T-yardımcı lenfositlerine saldırarak öldürür; bunun sonucunda edinilmiş bağışıklık yetmezliği sendromu da AIDS adı verilen hastalık ortaya çıkar (Bk. AIDS)
RNA çeşitleri
Protein bireşiminde yer alan RNA, tek zincirlidir. Ribozom RNA'sı (rRNA), transfer RNA'sı (tRNA) ve haberci RNA (mRNA) adı verilen birbirinden farklı üç tür içinde yeralır. Birhücrenin ribozom RNA'sı "ribozom" adı verilen cisimleri oluşturan proteinle ilgilidir. Ribozomlar protein bireşiminin yapıldığı yerlerdir. Ribozom RNA'sı farklı büyüklüklerde olur ve bir hücre içindeki bütün RNA'nın % 85 - 90'ını oluşturur.
Transfer RNA'sı, "çözünebilir RNA" ya da 1adaptör RNA" diye de adlandırılır. Her birinin aminoasitlerden biri için özel çekim gücü bulunan bir küçük moleküller grubudur. tRNA'nın işlevi, bireşimi yapılmakta olan özel protein için, o proteinin içine girmesi olasılığı bulunan özgül aminoasiti, ribozoma getirmektir. KaranfiI yaprağı örüntüsünde 80 kadar nükleotitten oluşan tRNA molekülleri, bir hücrenin RNA'sının yaklaşık %5'ini oluşturur.
Üçüncü RNA çeşidi olan haberci RNA (mRNA), bir hücrenin toplam RNA'sının % 5 -10'unu oluşturur. Haberci RNA, kromozomlarda yerleşmiş genler ile, sito-plazmada yerleşmiş ribozomlar arasında aracı işlevi görür. Adından da anlaşılacağı gibi, hücre DNA'sındaki bazların diziliminde bulunan genetik şifreyi taşır. Çeşitli organizmalardan DNA'lar, yalnızca bazlarının dizilimi bakımından farklılık gösterdiklerinden, farklı organizmalardan mRNA'nın, baz dizilimindeki bu farkı yansıtması gerekir. "Şifreleme" adı verilen mRNA bireşimi, DNA çifte sarmalından birinin tümleyicisi olan bir RNA zinciri oluşturma sürecinde yer alır. Şifrelenme sürecinde, yalnızca riboz içeren nükleotitler kullanılır. Bu süreçte, urasil, adeninin tümleyicisi olarak iş görür. Şifre hafine getirme sürecinden sorumlu enzim, "RNA polimeraz" diye adlandırılır.
Bir bilgi molekülü olarak RNA. Evrim sonucu ortaya çıkan ilk bilgi molekülünün, hem yapı bakımından nispeten basit hem de enzim etkisi taşıyan olduğu düşünülmektedir. Bütün organizmalarda genetik bilgilerin taşıyıcısı olarak işlev gören RNA, bilgi depolama ve taşıma yeteneği bulunduğu bilinen en basit moleküldür.
Başlangıçta RNA'nın bir tepkimeler katalizörü olarak işlev gören RNA'nın kanıtı, protein ve RNA'dan oluşan ribonükleaz P adlı enzim üstünde odaklanıyordu. Neredeyse bütün organizmalarda belirlenmiş olan bu enzim, tRNA'nın öncü moleküllerinin, tam işlevsel biçimlerine dönüşmesi sürecinde rol alır. Genetikçiler o tarihten bu yana, söz konusu enzimin RNA bileşeninin, tek başına etki ederek, enzimin katalizör etkisini gösterebildiğini, oysa tek başına protenin bunu yapamadığını bulmuşlardır. Araştırmalar daha yakın dönemde,
Tetrahymena thermophila türünden bir hücrelinin ribozom RNA'sı belirleyici geni üstünde yoğunlaştırılmıştır. Bu gen, iki şifreleyici bölüm (ya da ekson) arasındaki şifrelenmeyen (intron) oluşur. Kopyalanma işleminden sonra, öncü RNA molekülünün, riboz RNA'sı molekülünün işlevsel duruma gelebilmesi için, önce intron bölütünden ayrılması gerekir. İntron bölütü, öncü molekülden kendisini koparır ve işlevsel molekülü oluştumak için iki serbest ucunu birbiriyle birleştirir.
RNA'nın katalizör etkinliği bulunduğu yolundaki bu bulgular, RNA'nın gerçekten en erken bilgi molekülü olduğunu ve DNA'nın RNA'dan gelişmiş olabileceği düşüncesini desteklemektedir. Hücrelere girince kendilerinin DNA kopyalarını oluşturan RNA ur virüslerinin yaşam çevrimleri de bu varsayımı pekiştirmektedir.